Astrophysical Signatures from small-scale Structure of Axion Dark Matter

Abstract

Axions are weakly interacting pseudo-scalar particles originally motivated by the Peccei-Quinn solution of the strong CP problem of QCD. In the context of cosmology, axions provide a compelling solution to explain the missing dark matter in the standard model of the universe. When the cosmic axion field is established after the inflationary epoch as assumed in this work, the resulting fluctuations in the axion matter density source the formation of compact structures. On small scales, these structures lead to the formation of axion miniclusters and axion stars - highly overdense objects, which are expected to source the sites of galaxy formation at late times through consecutive minicluster mergers. As a consequence, the dark matter halos of standard galaxies are expected to exhibit a rich substructure of lighter and inter-mediate mass miniclusters, each hosting a single axion star core. These axion star cores have large central densities that allow for their possible detection through parametric resonance and relativistic axion emission. In this work, we extend earlier investigations on the mass and size distribution of the minicluster population to galaxy dark matter halos with special emphasis on the properties of their axion star cores. Inferring the properties of galactic axion stars, we calculate the expected event rates for different signatures given by collisions between neutron stars, miniclusters and axion stars. We consider axion masses in the range $10^{-12}\,\mathrm{eV} \leq m_a \leq 10^{-2}\,$eV with various scenarios for the cosmological temperature evolution of $m_a(T)$. Our analysis suggests that signatures from collisions of neutron stars with miniclusters and axion stars are unlikely to be detected in the Milky Way. Instead we provide novel detection schemes by exploiting the continuous mass growth of the axion star cores. We show that long-time mass accretion of axion stars can provide observable signals from both parametric resonance and re-occurring bosenovae. Evaluating the expected axion star abundance of our galaxy, we demonstrate that galactic radio lines are predicted for a large range of axion masses and axion-photon couplings. Similarly, we find that the rate of galactic bosenovae may be sufficient to allow for their detection in future broadband axion dark matter searches.

Axionen sind schwach wechselwirkende pseudo-skalare Teilchen, die ursprünglich im Zusammenhang mit der Peccei-Quinn-Lösung des starken CP-Problems der QCD postuliert wurden. Im kosmologischen Kontext stellen Axionen eine vielversprechende Lösung für die Erklärung der fehlenden dunklen Materie im aktuellen Standardmodell des Universums dar. Wenn das kosmische Axionfeld erst nach der kosmologischen Inflation etabliert wird - wie in dieser Arbeit angenommen - führen die daraus resultierenden Fluktuationen in der axionischen Materiedichte zur Bildung kompakter massiver Strukturen. Auf kleinen Skalen führen diese Strukturen zur Bildung von Axionen-Miniclustern und Axionen-Sternen – äußerst massedichten Objekten, die voraussichtlich später die Entstehungsorte von Galaxien durch aufeinanderfolgende Minicluster-Merger bestimmen. Es wird daher erwartet, dass die Halos aus dunkler Materie in typischen Galaxien eine vielfältige Substruktur leichter und mittelschwerer Minicluster aufweisen, in deren Zentrum jeweils ein Axionen-Stern vorhanden ist. Diese zentralen Axionen-Sterne haben hohe Dichten, die ihre mögliche Detektion durch parametrische Resonanz und relativistische Teilchen-Emission ermöglichen. In dieser Arbeit erweitern wir vorangegangene Studien über die Massen- und Größenverteilung der Minicluster-Population durch ihre Übertragung auf Dunkle-Materie-Halos von Galaxien mit besonderem Schwerpunkt auf den Eigenschaften ihrer zentralen Axionen-Sterne. Ausgehend von den Eigenschaften galaktischer Axionen-Sterne berechnen wir die erwarteten Ereignisraten für verschiedene Signaturen, die durch Kollisionen zwischen Neutronensternen, Miniclustern und Axionen-Sternen entstehen. Wir betrachten Axion-Massen im Bereich von $10^{-12}\,$eV$\leq m_a \leq 10^{-2}\,$eV mit unterschiedlicher Abhängigkeit $m_a​(T)$ von der kosmologischen Temperatur. Unsere Analyse legt nahe, dass Signaturen aus Kollisionen zwischen Substrukturen aus axionischer dunkler Materie und Neutronensternen in der Milchstraße voraussichtlich nicht nachweisbar sind. Stattdessen leiten wir in dieser Arbeit neuartige Detektionsmethoden her, die das kontinuierliche Massenwachstum von Axionen-Sternen in Miniclustern nutzen. Wir zeigen, dass langfristige Massenakkretion von Axionen-Sternen beobachtbare Signale sowohl durch parametrische Resonanz als auch durch wiederkehrende Bosenovae liefern kann. Durch die Abschätzung der erwarteten Häufigkeit von akkretierenden Axionen-Sternen in unserer Galaxie zeigen wir, dass galaktische Radiolinien für eine große Bandbreite an Axion-Massen und Axion-Photon-Kopplungen vorhergesagt werden. Darüber hinaus legen unsere Ergebnisse nahe, dass die Häufigkeit galaktischer Bosenovae ausreichen kann, um ihren Nachweis in zukünftigen Breitband-Detektoren für axionische dunkle Materie zu ermöglichen.